Problemas de Fundamentos de Química (1º Grado en Física) Tema 2. FUERZAS INTERMOLECULARES 2.1. Calcula la presión que ejerce 1 mol de Cl 2 (g), de CO 2 (g) y de CO (g) cuando se encuentra ocupando un volumen de 2 L a 273 K, considerando comportamiento de: (i) gas ideal y (ii) gas de Van der Waals. Cuál de los tres gases presenta una desviación mayor del comportamiento del gas ideal? Datos: Los valores de a y b son: Cl 2 (a = 6.49 L 2 atm mol 2, b = 0.0562 L mol 1 ), CO 2 (a = 3.59 L 2 atm mol 2, b = 0.0427 L mol 1 ) y CO (a = 1.49 L 2 atm mol 2, b = 0.0399 L mol 1 ). 2.2. Una forma de eliminar el NO de las emisiones de humos es hacerle reaccionar con amoniaco: 4 NH 3 (g) + 6 NO (g) 5 N 2 (g) + 6 H 2 O (l) Si se han formado 10 L de N 2 medidos a 298 K y 1.2 bar, qué volumen de NO ha reaccionado? Y de NH 3? 2.3. Suponiendo que la gasolina es C 8 H 18, qué volumen de dióxido de carbono y qué masa de agua se obtendrán en la combustión de 100 g de gasolina con 500 g de oxígeno, medidos a 25 ºC y 740 mmhg? 2.4. La tiza está compuesta por carbonato de calcio y sulfato de calcio, con algunas impurezas de dióxido de silicio. Solamente el carbonato de calcio reacciona con el ácido clorhídrico, produciendo cloruro de calcio, agua y dióxido de carbono. Calcula el porcentaje de carbonato de calcio en un trozo de tiza de 3.28 g si al reaccionar con ácido clorhídrico en exceso se produce medio litro de dióxido de carbono medido a 1 atm de presión y 273 K. 2.5. Un taxi adaptado con butano consume 12 kg de carburante cada 100 km. Calcula: a) El volumen de aire admitido por el motor en ese recorrido suponiendo que el aire contiene 80% de nitrógeno y 20% de oxígeno en volumen, y que se requiere un 30% de aire en exceso sobre el teórico para la combustión total del butano. Considera que la reacción de combustión se produce a 120 ºC y 1 atm. b) La composición volumétrica de los gases de escape considerando que la combustión es total. 2.6. El LiH y el CaH 2 sólidos reaccionan con el agua dando gas hidrógeno y el hidróxido correspondiente, LiOH o Ca(OH) 2. Si 0.850 g de una mezcla de LiH y CaH 2 producen 1.200 L de H 2 a 298 K y 1 atm, cuál es el porcentaje en masa de LiH en la mezcla inicial? 2.7. Cierta cantidad de gas está sometida a una presión de 0.855 atm en un volumen de 500 ml a 0 ºC. Qué presión ejercerá la misma cantidad de gas en un volumen de 700 ml a 100 ºC? 2.8. Cuántas moléculas de un gas ideal hay en 1 ml si la temperatura es 80 ºC y la presión 1 Pa? 2.9. Una mezcla de 5.00 g de O 2, 15.00 g de N 2 y 12.00 g de CO 2 está contenida en un volumen de 1.00 L a 27 ºC. Determina la presión total y la presión parcial de cada componente. 2.10. Un recipiente de 2.48 L de volumen contiene un gas a 0.263 atm y 200 K. Si se adicionan 0.048 moles de otro gas, cuál será la presión alcanzada? 2.11. Se han mezclado 1.00 g de O 2, 0.50 g de N 2 y 0.80 g de CO 2 en un recipiente a 25 ºC, siendo la presión total de 1.000 atm. Calcula: a) la presión parcial de cada gas; b) la fracción molar de cada gas; c) el volumen de la mezcla. 1
2.12. Calcula la densidad del SO 2 (g) a 47 ºC y 0.821 atm. 2.13. Calcula la densidad de una mezcla de O 2, CO y CO 2 a 20 ºC, sabiendo que las presiones parciales de los gases son 81, 104 y 250 mmhg, respectivamente. 2.14. La entalpía de vaporización del benceno es 33.9 kj/mol a 298 K. Cuántos litros de C 6 H 6 (g) medidos a 298 K y 12650 Pa se forman cuando el C 6 H 6 absorbe 1.54 kj a la temperatura constante de 298 K? 2.15. Contesta a las siguientes preguntas sobre el diagrama de fases del CO 2 : a) Qué fase existe a 2 atm de presión y a las temperaturas de 90 ºC, 60 ºC y 0 ºC? b) Indica qué fases de CO 2 están presentes a: (i) T = 78 ºC y P = 1 atm; (ii) T = 57 ºC y P = 5.2 atm c) Enumera las fases que se observarían si una muestra de CO 2 a 8 atm de presión fuera calentada desde 80 ºC a 40 ºC. d) Cómo cambia el punto de fusión del CO 2 con la presión? Qué indica esto acerca de las densidades relativas del sólido y del líquido? 2.16. A continuación se muestra una parte del diagrama de fases del fósforo. a) Indica las fases presentes en las regiones señaladas con (?) b) Es posible fundir fósforo rojo por calentamiento en un recipiente abierto a la atmósfera? c) Explica los cambios de fase que tienen lugar cuando se reduce la presión sobre una muestra de fósforo desde el punto A al B, a temperatura constante. 2
2.17. Los puntos de fusión normal y de ebullición normal del Ar son 83.8 K y 87.3 K, respectivamente; su punto triple se encuentra a 83.8 K y 0.7 atm, y los valores de su temperatura y presión crítica son 151 K y 48 atm. a) Dibuja el diagrama de fases P T del Ar de forma cualitativamente correcta. b) Indica el estado físico del Ar en cada una de las condiciones siguientes: (i) 0.9 atm y 90 K; (ii) 0.7 atm y 80 K; (iii) 0.8 atm y 83.8 K; (iv) 50 atm y 273 K; (v) 1 atm y 87.3 K. c) Indica qué cambios de fase se observan si partiendo del punto triple: (i) se aumenta la temperatura a presión constante; (ii) se disminuye la temperatura a presión constante; (iii) se disminuye la presión a temperatura constante. 2.18. Considera el diagrama de fases del carbono y contesta a las siguientes preguntas: a) Si se calienta grafito a la presión constante de 10 bar se fundirá o sublimará? A qué temperatura lo hará? b) Halla las temperaturas de fusión y ebullición del carbono a la presión de 0.1 GPa. c) Escribe los valores de P y T de todos los puntos triples y señala qué fases se encuentran en equilibrio en cada uno de ellos. d) Se parte de vapor de carbono a 5500 K y 0.01 GPa y, manteniendo T constante, se aumenta la presión de forma reversible hasta los 100 GPa. Indica la presión a la que se produce cada uno de los cambios de fase durante este proceso. e) Pueden coexistir en equilibrio el grafito y el carbono líquido a una presión de 50 GPa? 2.19. De las dos sustancias BrI y BrCl una es un sólido a temperatura ambiente y la otra es un gas. Cómo podría explicarse este hecho? 2.20. Indica si existe interacción por puentes de hidrógeno en cada una de las siguientes sustancias: NH 3, CH 4, C 6 H 5 OH, O 3, CH 3 COOH, H 2 S. 2.21. Clasifica las siguientes sustancias en orden creciente de punto de fusión, y justica el orden establecido: KI, Ne, C 3 H 8, CH 3 -CH 2 OH, MgO, CH 2 OH-CHOH-CH 2 OH. 2.22. Clasifica las siguientes sustancias como sólido molecular, covalente, iónico o metálico basándote en los datos experimentales recogidos en la siguiente tabla para cada compuesto: Sustancia CeCl 3 Ti TiCl 4 NO 2 F B MoF 6 Se 8 T f (ºC) 848 1675 25 175 2300 18 217 T e (ºC) 1727 3260 136 46 2550 35 684 Conductor (sólido) no sí no no no no malo Conductor (líquido) sí sí no no no no malo 3
2.2. El punto de ebullición normal del éter dietílico es 34.5 ºC, y su entalpía de vaporización en el punto de ebullición normal es de 6.38 kcal mol 1. Calcula la presión de vapor del éter a 25.0 ºC. 2.. Usa la ecuación de Clausius-Clapeyron para calcular la temperatura a la que el agua pura hervíría a una presión de 400.0 torr. Dato: H vap (H 2 O) = 44 kj mol 1. 2.. El alcohol isopropílico (2-propanol) tiene una presión de vapor de 100. torr a 39.5 ºC y de 400. torr a 67.8 ºC. Estima su calor molar de vaporización. 2.. En una olla a presión se alcanza una presión de 2 atm. A qué temperatura hierve el agua en estas condiciones? Dato: H vap (H 2 O) = 44 kj mol 1. Soluciones 2.1. (i) 11.19 atm; (ii) P(Cl 2 ) = 9.90 atm (mayor desviación), P(CO 2 ) = 10.55 atm, P(CO) = 11.06 atm. 2.2. 12 L de NO y 8 L de NH 3. 2.3. 176 L de CO 2 y 142 g de H 2 O. 2.4. 68% 2.5. a) 281700 L; b) 75.5% de N 2, 8.9% de CO 2, 4.4% de O 2 y 11.2% H 2 O. 2.6. 13%. 2.7. 0.834 atm. 2.8. 3.76 10 14 moléculas. 2.9. P T = 23.7 atm, P(O 2 ) = 3.8 atm, P(N 2 ) = 13.2 atm, P(CO 2 ) = 6.7 atm. 2.10. 0.58 atm. 2.11. a) P(O 2 ) = 0.465 atm, P(N 2 ) = 0.265 atm, P(CO 2 ) = 0.270 atm; b) χ(o 2 ) = 0.465, χ(n 2 ) = 0.265, χ(co 2 ) = 0.270; c) 1.65 L. 2.12. 2.00 g/l. 2.13. 0.904 g/l. 2.14. 8.89 L. 2.15. a) sólido, vapor, vapor, respectivamente; b) (i) s v; (ii) s l v; c) s l v fluido supercrítico; d) el punto de fusión aumenta con la presión, el líquido es menos denso que el sólido. 2.16. a) líquido (superior), vapor (inferior); b) no, ya que sublima; c) s l v. 2.17. a) 48 P (atm) 1 0.7 83.8 87.3 151 T (K) b) (i) vapor, (ii) sólido, (iii) s l, (iv) fluido supercrítico, (v) l v; c) (i) vaporización / sublimación, (ii) solidificación / sublimación inversa, (iii) vaporización / sublimación.
2.18. a) Sublimará a 4000 K; b) T f 4700 K; T e 6000 K; c) grafito l v: P = 0.01 GPa y T = 4500 K, diamante grafito l: P = 10 GPa y T = 4500 K; d) v l: P 0.056 GPa, l diamante: P 25 GPa; e) no. 2.19. En ambos el tipo de fuerzas de interacción entre las moléculas es de dispersión, que aumenta con la polarizabilidad. La polarizabilidad es mayor en BrI porque el radio de I es mayor que el de Cl. Por tanto, BrI es sólido y BrCl gas a temperatura ambiente. 2.20. Puentes de hidrógeno en NH 3, C 6 H 5 OH y CH 3 COOH. 2.21. Ne < C 3 H 8 < CH 3 -CH 2 OH < CH 2 OH-CHOH-CH 2 OH < KI < MgO 2.22. Iónico, metálico, molecular, molecular, covalente, molecular y molecular, respectivamente. 2.2. 0.717 atm. 2.. 84 ºC. 2.. 43 kj mol 1. 2.. 119 ºC.